I. โพลีอะคริลาไมด์คืออะไร?

โพลีอะคริลาไมด์ (แพม) ในทางเคมีเป็นพอลิเมอร์เชิงเส้นที่ละลายน้ำได้ ซึ่งก่อตัวขึ้นจากการพอลิเมอไรเซชันของโมโนเมอร์อะคริลาไมด์ (เช้า) ที่เริ่มต้นด้วยอนุมูลอิสระ โดยมีสูตรโมเลกุลคือ (C₃H₅เลขที่)n โพลีอะคริลาไมด์มีลักษณะเป็นของแข็งคล้ายแก้วที่อุณหภูมิห้อง แต่ในการใช้งานจริง เราพบโพลีอะคริลาไมด์ในรูปแบบต่างๆ เช่น ของเหลวคอลลอยด์ น้ำยาง ผงสีขาว ลูกปัดโปร่งแสง และเกล็ด

โพลีอะคริลาไมด์มีพารามิเตอร์โครงสร้างที่สำคัญสองประการ ได้แก่ น้ำหนักโมเลกุลและคุณสมบัติไอออนิก โดยพิจารณาจากน้ำหนักโมเลกุล สามารถแบ่งได้เป็นน้ำหนักโมเลกุลต่ำ น้ำหนักโมเลกุลปานกลาง น้ำหนักโมเลกุลสูง และน้ำหนักโมเลกุลสูงมาก เมื่อพิจารณาจากคุณสมบัติไอออนิก นั่นคือ ลักษณะการแตกตัวเป็นไอออนในสารละลายน้ำ สามารถจำแนกประเภทได้เป็นไอออนิกแบบไม่มีไอออนิก ไอออนิกแบบมีประจุลบ ไอออนิกแบบมีประจุบวก และไอออนิกแบบแอมโฟเทอริก โพลีอะคริลาไมด์ประเภทต่างๆ มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันเนื่องจากโครงสร้างที่แตกต่างกัน จึงสามารถปรับให้เข้ากับสถานการณ์การใช้งานที่หลากหลายได้

ครั้งที่สอง. คุณสมบัติของโพลีอะคริลาไมด์

(I) คุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์

ความสามารถในการละลาย: สามารถละลายในน้ำได้ในสัดส่วนใดก็ได้ โดยจะเกิดเป็นสารละลายในน้ำที่ใสและสม่ำเสมอ คุณสมบัตินี้ทำให้สะดวกมากในหลายๆ สถานการณ์ที่ต้องผสมกับน้ำ อย่างไรก็ตาม หลังจากจัดเก็บเป็นเวลานาน ความหนืดของสารละลายจะลดลงเนื่องจากพอลิเมอร์จะเสื่อมสภาพช้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสภาพการจัดเก็บและการขนส่งไม่ดี

ความหนืด: ความหนืดของสารละลายโพลีอะคริลาไมด์ในน้ำมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความเข้มข้น เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น ความหนืดก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย นอกจากนี้ ที่ความเข้มข้นเท่ากัน ความหนืดของสารละลายโพลีอะคริลาไมด์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงจะค่อนข้างสูงกว่า ในขณะเดียวกัน ค่า พีเอช ของสารละลายก็ส่งผลต่อความหนืดเช่นกัน ในสารละลายที่มีค่า พีเอช สูง จะเกิดไอออนคาร์บอกซิเลตในโมเลกุลเนื่องจากการไฮโดรไลซิส และโซ่โมเลกุลจะยืดออกเนื่องจากแรงผลักไฟฟ้าสถิต ทำให้ความหนืดของสารละลายเพิ่มขึ้น

การจับตัวเป็นก้อน: โพลีอะคริลาไมด์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมีประสิทธิภาพการจับตัวเป็นก้อนที่ยอดเยี่ยม โซ่โมเลกุลของโพลีอะคริลาไมด์สามารถสร้างสะพานเชื่อมระหว่างอนุภาคที่ดูดซับได้อย่างชาญฉลาด โดยเชื่อมต่ออนุภาคหลายอนุภาคหรือหลายสิบอนุภาคเข้าด้วยกัน ส่งเสริมการก่อตัวของก้อนอย่างรวดเร็วและเร่งอัตราการตกตะกอนของอนุภาคได้อย่างมาก ประจุไฟฟ้าที่อยู่บนโซ่โมเลกุลสามารถดึงดูดอนุภาคด้วยไฟฟ้าสถิตได้ และความยาวของโมเลกุลทำให้มีประสิทธิภาพในการดูดซับและตำแหน่งยึดเกาะกับพันธะไฮโดรเจนที่ดี ปัจจัยเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเอฟเฟกต์การจับตัวเป็นก้อนต่อไป

(ครั้งที่สอง) คุณสมบัติทางเคมีที่อุดมสมบูรณ์

ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส: โพลีอะคริลาไมด์สามารถแปลงเป็นพอลิเมอร์ที่มีกลุ่มคาร์บอกซิลได้โดยการไฮโดรไลซิสของกลุ่มอะไมด์ และผลิตภัณฑ์เรียกว่าโพลีอะคริลาไมด์ไฮโดรไลซ์บางส่วน ในสภาวะที่เป็นกรด แม้ว่าปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสจะเพิ่มขึ้นด้วยกรด แต่ความเร็วจะช้ากว่าปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสด้วยด่างมาก และโดยปกติแล้วต้องใช้ความร้อนที่สูงกว่า

ปฏิกิริยาไฮดรอกซีเมทิลเลชัน: สามารถทำปฏิกิริยากับฟอร์มาลดีไฮด์เพื่อสร้างโพลีอะคริลาไมด์ไฮดรอกซีเมทิลเลชัน ปฏิกิริยานี้สามารถดำเนินไปได้ภายใต้สภาวะที่เป็นกรดและด่าง แต่ปฏิกิริยาจะเร็วขึ้นภายใต้สภาวะที่เป็นด่าง ในสภาวะที่เป็นกรด เนื่องจากฟอร์มาลดีไฮด์ส่วนใหญ่อยู่ในรูปลูกโซ่ ความเข้มข้นที่มีประสิทธิภาพจึงลดลง ส่งผลให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นช้าลง

ปฏิกิริยาซัลโฟเมทิลเลชัน: ปฏิกิริยานี้ดำเนินการภายใต้สภาวะด่างและมีวิธีการป้อนสองวิธี วิธีหนึ่งคือโพลีอะคริลาไมด์ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับโซเดียมไบซัลไฟต์และฟอร์มาลดีไฮด์ภายใต้สภาวะด่างเพื่อสร้างอนุพันธ์แอนไออนิก - โพลีอะคริลาไมด์ซัลโฟเมทิลเลชัน อีกวิธีหนึ่งคือ โซเดียมไบซัลไฟต์จะถูกเติมลงในสารละลายโพลีอะคริลาไมด์ซัลโฟเมทิลเลชันก่อน จากนั้นจะได้โพลีอะคริลาไมด์ซัลโฟเมทิลเลชันหลังจากปฏิกิริยาครั้งที่สอง ปฏิกิริยานี้ไวต่อค่า พีเอช มาก เมื่อค่า พีเอช ต่ำกว่า 10 ปฏิกิริยาจะช้ามากที่ 70°C เมื่อค่า พีเอช มากกว่า 10 อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

ปฏิกิริยาอะมิโนเมทิลเลชัน: โพลีอะคริลาไมด์ ไดเมทิลเอมีน และฟอร์มาลดีไฮด์ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยาแมนนิช สามารถสร้างพอลิเมอร์ไดเมทิลเอมีน - เอ็น - เมทิลโพรพีนิล โอ-ฟีนิลีนไดเอมีนได้ผ่านปฏิกิริยานี้ นี่เป็นวิธีทั่วไปในการเตรียมโพลีอะคริลาไมด์ที่มีประจุบวก และผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้น เนื่องมาจากกลุ่มข้างเคียงที่ทำงานอยู่บนสายโมเลกุล สามารถปรับปรุงอัตราการตกตะกอนของน้ำเสียได้เมื่อใช้เป็นสารตกตะกอน

ปฏิกิริยาย่อยสลายของฮอฟมันน์: โพลีอะคริลาไมด์สามารถทำปฏิกิริยากับไฮโปฮาไลต์ เช่น โซเดียมไฮโปคลอไรต์หรือโซเดียมไฮโปโบรไมต์ภายใต้สภาวะที่เป็นด่างเพื่อสร้างโพลีไวนิลอะมีนที่เป็นบวก

ปฏิกิริยาการเชื่อมขวาง: สารละลายโพลีอะคริลาไมด์ในน้ำจะเกิดเจลโพลีอะคริลาไมด์ที่เชื่อมขวางไม่ละลายน้ำเมื่อได้รับความร้อนภายใต้สภาวะที่เป็นกรด นอกจากนี้ ยังสามารถเกิดปฏิกิริยาการเชื่อมขวางกับไกลออกซาล เรซินยูเรีย-ฟอร์มาลดีไฮด์ เรซินเมลามีน เรซินฟีนอลิก เป็นต้น สารละลายโพลีอะคริลาไมด์ไฮโดรไลซ์และโคพอลิเมอร์อะคริลาไมด์ในน้ำยังสามารถเกิดปฏิกิริยาการเชื่อมขวางกับไอออนโพลีนิวเคลียร์ไฮดรอกซิลที่สร้างขึ้นจากไอออนโลหะที่มีปริมาณสูง เช่น เกลืออลูมิเนียม เกลือโครเมียม เกลือเซอร์โคเนียม เกลือแมงกานีส และเกลือไททาเนียม เพื่อสร้างเจล

ที่สาม. วิธีการเตรียมโพลีอะคริลาไมด์

(I) การเกิดพอลิเมอไรเซชันของสารละลายในน้ำ

นี่เป็นวิธีที่เก่าแก่ที่สุดในการผลิตโพลีอะคริลาไมด์ โดยมีข้อดีคือการผลิตที่ปลอดภัยและประหยัด และเป็นเส้นทางการผลิตที่สำคัญสำหรับโพลีอะคริลาไมด์ โดยการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขของปฏิกิริยา เช่น ระบบตัวเริ่มต้น ค่า พีเอช ของตัวกลาง ชนิดและปริมาณของสารเติมแต่ง ตัวทำละลาย และอุณหภูมิพอลิเมอไรเซชัน สามารถสำรวจอิทธิพลต่อลักษณะปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันและคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการใช้น้ำเป็นตัวทำละลาย ปริมาณสิ่งเจือปนในระบบจึงต่ำ ค่าคงที่การถ่ายโอนโซ่ของโมโนเมอร์ในสารละลายน้ำจึงต่ำ และถูกจำกัดโดยเงื่อนไขของกระบวนการ ปริมาณของแข็งของผลิตภัณฑ์พอลิเมอไรเซชันในสารละลายน้ำจึงต่ำ และปฏิกิริยาอิมิไดเซชันมักเกิดขึ้นจนเกิดเจล ทำให้ยากต่อการได้โพลีอะคริลาไมด์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์สูง

(ครั้งที่สอง) การเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบตกตะกอน

เมื่อพอลิเมอร์ที่ได้ไม่สามารถละลายในตัวทำละลาย เช่น อะซิโตนและเอธานอล พอลิเมอร์จะตกตะกอนจากสารละลายอย่างต่อเนื่องขณะที่ปฏิกิริยาดำเนินไป จึงเป็นที่มาของชื่อวิธีการพอลิเมอไรเซชันนี้ โพลีอะคริลาไมด์ที่เตรียมด้วยวิธีนี้มีน้ำหนักโมเลกุลค่อนข้างสูงและมีความสม่ำเสมอที่ดี

(ที่สาม) โพลิเมอไรเซชันแบบกระจายตัว

โพลีเมอไรเซชันแบบกระจายตัวเป็นประเภทหนึ่งของโพลีเมอไรเซชันแบบอนุมูลอิสระที่มีพฤติกรรมจลนศาสตร์คล้ายกับโพลีเมอไรเซชันแบบรวมกลุ่ม และสามารถถือได้ว่าเป็นโพลีเมอไรเซชันแบบตกตะกอนชนิดพิเศษ หลักการคือการกระจายโมโนเมอร์ลงในน้ำเพื่อสร้างสารละลายในน้ำที่มีความเข้มข้นที่กำหนด จากนั้นจึงเติมสารเริ่มต้นสำหรับโพลีเมอไรเซชัน ในระหว่างกระบวนการโพลีเมอไรเซชัน โมโนเมอร์และสารเริ่มต้นที่เตรียมไว้แล้วจะละลายในตัวกลางปฏิกิริยาเพื่อสร้างระบบที่เป็นเนื้อเดียวกัน โพลีเมอร์ที่เกิดขึ้นจะตกตะกอนเนื่องจากไม่ละลายได้ง่ายในตัวกลางปฏิกิริยา และโพลีเมอร์ที่ตกตะกอนจะรวมตัวเข้าด้วยกัน และภายใต้การกระทำของสารทำให้คงตัว จะแขวนลอยอย่างเสถียรในสารละลายปฏิกิริยาในรูปแบบของอนุภาคละเอียด ก่อให้เกิดการกระจายตัวที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ระบบโพลีเมอไรเซชันแบบกระจายตัวนี้มีปริมาณของแข็งสูง ความหนืดต่ำ และเสถียรภาพในการเฉือนที่ดี

สี่. ขอบเขตการใช้งานของโพลีอะคริลาไมด์

(1) สาขาการบำบัดน้ำ

การบำบัดน้ำดิบ: ในกระบวนการบำบัดน้ำดิบ โพลีอะคริลาไมด์จะถูกใช้ร่วมกับคาร์บอนกัมมันต์และสารอื่นๆ เพื่อทำให้อนุภาคแขวนลอยในน้ำประปาตกตะกอนและใสขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับสารตกตะกอนอนินทรีย์ การใช้โพลีอะคริลาไมด์ซึ่งเป็นสารตกตะกอนอินทรีย์สามารถปรับปรุงความสามารถในการทำให้บริสุทธิ์ของน้ำได้มากกว่า 20% โดยไม่ต้องปรับเปลี่ยนถังตกตะกอน

การบำบัดน้ำเสีย: โพลีอะคริลาไมด์มีบทบาทสำคัญในการบำบัดน้ำเสีย ไม่เพียงแต่จะช่วยเพิ่มอัตราการนำน้ำกลับมาใช้ใหม่ได้เท่านั้น แต่ยังสามารถใช้เป็นสารขจัดน้ำออกจากตะกอนได้อีกด้วย นอกจากนี้ เมื่อใช้ร่วมกับสารตกตะกอนอนินทรีย์ ก็สามารถปรับปรุงคุณภาพน้ำได้อย่างมีนัยสำคัญ และลดปริมาณสารตกตะกอนลงได้ ในขณะเดียวกัน ตะกอนที่เกิดจากโพลีอะคริลาไมด์ยังมีความแข็งแรงสูงและมีประสิทธิภาพในการตกตะกอนที่ดี ซึ่งสามารถปรับปรุงความเร็วในการแยกของแข็งและของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ และอำนวยความสะดวกในการขจัดน้ำออกจากตะกอน

การบำบัดน้ำอุตสาหกรรม: ในการบำบัดน้ำอุตสาหกรรม โพลีอะคริลาไมด์เป็นสารตัวแทนสูตรที่สำคัญ การใช้โพลีอะคริลาไมด์สามารถลดปริมาณของสารตกตะกอนอนินทรีย์ได้อย่างมาก หลีกเลี่ยงการสะสมของสารอนินทรีย์บนพื้นผิวของอุปกรณ์ จึงช่วยชะลอการกัดกร่อนและการเกาะตัวของอุปกรณ์ มีรายงานว่า 37% ของผลผลิตโพลีอะคริลาไมด์ทั้งหมดทั่วโลกใช้สำหรับการบำบัดน้ำเสีย และความสำคัญของโพลีอะคริลาไมด์ในด้านการบำบัดน้ำก็ชัดเจน

(ครั้งที่สอง) สาขาการสกัดน้ำมัน

โพลีอะคริลาไมด์เป็นสารเคมีบำบัดน้ำมันอเนกประสงค์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการดำเนินการต่างๆ ของการสกัดน้ำมัน เช่น การขุดเจาะ การฉาบปูนบ่อน้ำ การทำให้เสร็จสมบูรณ์ การซ่อมแซม การแตกหัก การทำให้เป็นกรด การฉีดน้ำ การอุดน้ำและการควบคุมโปรไฟล์ และการกู้คืนน้ำมันขั้นที่สาม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการขุดเจาะ การอุดน้ำและการควบคุมโปรไฟล์ และการกู้คืนน้ำมันขั้นที่สาม สารละลายในน้ำมีความหนืดสูง และมีผลในการทำให้ข้น ตกตะกอน และปรับสภาพการไหลได้ดีเยี่ยม ในช่วงกลางและขั้นตอนต่อมาของการสกัดน้ำมัน เพื่อปรับปรุงการกู้คืนน้ำมัน จีนส่งเสริมการท่วมพอลิเมอร์และเทคโนโลยีการท่วม งูเห่า (สารลดแรงตึงผิวด่าง-พอลิเมอร์) เป็นหลัก โดยการฉีดสารละลายโพลีอะคริลาไมด์ในน้ำ อัตราส่วนอัตราการไหลของน้ำมันต่อน้ำสามารถปรับปรุงได้ และเพิ่มปริมาณน้ำมันดิบในของเหลวที่ผลิตได้ การเติมโพลีอะคริลาไมด์ในการกู้คืนน้ำมันขั้นที่สามสามารถเพิ่มความสามารถในการแทนที่น้ำมัน ป้องกันการทะลุผ่านของชั้นน้ำมัน และปรับปรุงอัตราการกู้คืนของอ่างเก็บน้ำน้ำมัน อุตสาหกรรมปิโตรเลียมของจีนเป็นผู้ใช้โพลีอะคริลาไมด์รายใหญ่ที่สุด

(ที่สาม) สาขาการทำกระดาษ

ในด้านการผลิตกระดาษ โพลีอะคริลาไมด์ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะตัวช่วยในการกักเก็บ ตัวช่วยในการระบายน้ำ และตัวทำให้สม่ำเสมอ โพลีอะคริลาไมด์สามารถปรับปรุงคุณภาพของกระดาษ เพิ่มประสิทธิภาพการขจัดน้ำของเยื่อ เพิ่มอัตราการกักเก็บเส้นใยละเอียดและสารตัวเติม และลดการใช้สารตั้งต้นและมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ ในฐานะสารกระจายตัว โพลีอะคริลาไมด์ยังสามารถปรับปรุงความสม่ำเสมอของกระดาษได้อีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การใช้โพลีอะคริลาไมด์ในอุตสาหกรรมการผลิตกระดาษนั้นสะท้อนให้เห็นในสองด้านเป็นหลัก ประการหนึ่งคือการปรับปรุงอัตราการกักเก็บสารตัวเติม เม็ดสี เป็นต้น ลดการสูญเสียของวัตถุดิบและมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม อีกประการหนึ่งคือการเพิ่มความแข็งแรงของกระดาษ รวมถึงความแข็งแรงเมื่อแห้งและความแข็งแรงเมื่อเปียก ในเวลาเดียวกัน การใช้โพลีอะคริลาไมด์ยังสามารถปรับปรุงความต้านทานการฉีกขาดและความพรุนของกระดาษ เพิ่มประสิทธิภาพด้านการมองเห็นและการพิมพ์ของกระดาษ และยังใช้ในกระดาษบรรจุภัณฑ์อาหารและชาอีกด้วย

(สี่) สาขาอื่นๆ

อุตสาหกรรมสิ่งทอ: โพลีอะคริลาไมด์สามารถใช้เป็นตัวปรับขนาดสิ่งทอ โดยมีประสิทธิภาพในการกำหนดขนาดที่เสถียร มีการสูญเสียขนาดที่น้อยลง ซึ่งสามารถลดอัตราการแตกหักของผ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ และทำให้พื้นผิวผ้าเรียบเนียน

วัสดุทางการแพทย์: เจลโพลีอะคริลาไมด์สามารถใช้ในการผลิตสารทำให้เป็นเม็ดที่ไม่ใช่โปรทรอมบิน วัสดุสำหรับการผ่าตัด วัตถุดิบสำหรับคอนแทคเลนส์ วัสดุเคลือบภายนอกสำหรับไมโครแคปซูล เป็นต้น และยังสามารถผลิตเป็นปลั๊กห้ามเลือดคุณภาพสูง ผ้าอนามัยสตรี และผ้าอ้อมเด็กได้อีกด้วย โพลีอะคริลาไมด์ที่มีขนาดอนุภาคที่เหมาะสมสามารถใช้เป็นบรรจุภัณฑ์โครมาโตกราฟีสำหรับการแยก การแยกเกลือ การทำให้โปรตีนเข้มข้นและสารอื่นๆ

อุตสาหกรรมอาหาร: ในการผลิตน้ำตาลอ้อยและน้ำตาลหัวบีต โพลีอะคริลาไมด์สามารถใช้ในการทำให้น้ำผลไม้ใสและการแยกน้ำเชื่อมแบบลอยตัวได้ นอกจากนี้ยังใช้ในการตกตะกอนและการทำให้น้ำหมักเตรียมเอนไซม์ใสและการกู้คืนโปรตีนจากอาหาร และผงโปรตีนที่กู้คืนมาไม่มีผลเสียต่ออัตราการรอด น้ำหนักที่เพิ่มขึ้น และการผลิตไข่ของไก่

อุตสาหกรรมก่อสร้าง: โพลีอะคริลาไมด์มีบทบาทในการอุดน้ำของวัสดุยาแนวในงานโยธา ช่วยปรับปรุงคุณภาพซีเมนต์ในอุตสาหกรรมวัสดุก่อสร้าง กาวก่อสร้าง การซ่อมแซมรอยต่อ และตัวแทนอุดน้ำ

การปรับปรุงดิน: โพลีอะคริลาไมด์สามารถปรับปรุงความสามารถของดินในการต้านทานการกัดเซาะจากลมและการกัดเซาะจากน้ำได้ และยังมีคุณค่าในการนำไปใช้ในการปรับปรุงดินอีกด้วย นอกจากนี้ ยังใช้เป็นวัสดุดูดซับน้ำในผ้าอ้อมเด็กอีกด้วย